【Java 数据结构】集合类 (精华篇)
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目录
前言
一.集合的引入
二. 集合的使用
1. Collection接口中的方法
2.Collection的主要实现类特点
3. Iterator 迭代器的使用
4. Iterator 迭代器的原理
5. List(接口)
6. Set(接口)
7.Queue(接口)
8、Map
三. List集合中：ArrayList 、LinkedList、Vector区别
四. Set集合中：HashSet、TreeSet
TreeSet
HashSet
五. Map：HashMap、TreeMap
HashMap底层原理
JDK7中:
JDK8中: 与JDK7三点不一样
TreeMap底层原理
六. 集合的线程安全
线程安全的集合
将线程不安全的集合转换为安全的
七. Collections工具类
八. Arrays工具类
前言
本章主要是让大家先了解一下集合类的由来和用法,并简单的介绍一下各个集合类的区别,后续我会对每个集合类的底层源码做一个详细的解释!
一.集合的引入
【1】数组，集合都是对多个数据进行存储操作的，简称为容器。
PS:这里的存储指的是内存层面的存储，而不是持久化存储（.txt,.avi,.jpg,数据库）。
【2】数组：特点：
（1）数组一旦指定了长度，那么长度就被确定了，不可以更改。
int[] arr = new int[6];
（2）数组一旦声明了类型以后，数组中只能存放这个类型的数据。数组中只能存放同一种类型的数据。
int[] arr,String[] s,double[] d.....
【3】数组：缺点：
（1）数组一旦指定了长度，那么长度就被确定了，不可以更改。
（2）删除，增加元素 效率低。
（3）数组中实际元素的数量是没有办法获取的，没有提供对应的方法或者属性来获取
（4）数组存储：有序，可重复 ，对于无序的，不可重复的数组不能满足要求。
【4】正因为上面的缺点，引入了一个新的存储数据的结构---》集合
【5】集合一章我们会学习很多集合，为什么要学习这么多集合呢？
因为不同集合底层数据结构不一样。集合不一样，特点也不一样
Collection体系继承树:
蓝色框：接口 红色框：实现类 红色框+阴影：常用实现类
Queue:先进先出的队列。
stack:先进后出的栈
Map体系继承树:
蓝色框：接口 红色框：实现类 红色框+阴影：常用实现类
Map:具有映射关系(k,v)的 集合，其所有key无序且不可重复。
二. 集合的使用
1. Collection接口中的方法
Collection 接口是层次结构中的根接口。构成 Collection 的单位称为元素。Collection 接口通常不能直接使用，但该接口提供了添加元素、删除元素、管理数据的方法。由于 List 接口与 Set 接口都继承了 Collection 接口，因此这些方法对 List 集合与 Set 集合是通用的。
2.Collection的主要实现类特点
3. Iterator 迭代器的使用
三种方式遍历集合： 普通for循环、增强for循环、Iterator迭代器(重点讲解)
在java.util 包中提供了一个 Iterator 接口，该接口是一个专门对 Collection 进行迭代的迭代器。
lterator迭代器的常用方法
| 方法 |
功能描述 |
| hasNext() | 如果仍有元素可以迭代，则返回 true |
| next() | 返回迭代的下一个元素 |
| remove() | 从迭代器指向的Collection中移除迭代器返回的最后一个元素(可选操作) |
注意:
Iterator的next()方法返回的是Object。
4. Iterator 迭代器的原理
5. List(接口)
List 接口继承了 Collection 接口，定义一个允许重复项的有序集合；按照对象进入顺序进行保存对象，List集合就像是一个数组，有序，长度可变
特点： 有序集合、有重复
操作 ：add()、get()、set()、size()、remove()等
常用的实体类： ArrayList等
包括的实体类： ArrayList、Vector、Stack等
具体描述见下图：
6. Set(接口)
Set 接口继承了 Collection 接口，集合元素无序且无重复。
无重复原理：每个Set实现类依赖添加的对象的 equals() 方法来检查独一性，即任意两个元素e1和e2，都有e1.equals(e2)=false
特点： 无序集合、不可重复
操作 ：add()、get()、set()、size()、remove()等
常用的实体类： HashSet、TreeSet等
包括的实体类： HashSet、TreeSet、EnumSet、LinkedHashSet等：
具体描述见下图：
7.Queue(接口)
特点： 队列（先进先出、有序表）
主要实现类有： PriorityQueue、ArrayDeque等
8、Map
Map接口含有两个部分(两列)：关键字和值 (key-value，简称键值对)；key不可重复，value可重复；添加数据时，如果key重复，则用新值替换原有的值。
操作： put(key,value)、remove()、clear()、size()、containsKey(Object key)、containsValue(Object value)
常用实现类： HashMap、TreeMap
具体描述见下图：
三. List集合中：ArrayList 、LinkedList、Vector区别
ArrayList:底层使用Object数组实现；当数组容量不够时，创建一个新数组，这个新数组的容量是原数组的1.5倍，然后将原数组中的元素复制到这个新数组中。建议使用时，直接在构造方法中指定数组大小。避免扩容，影响效率。
- JDK7:当使用无参构造创建列表时，底层默认创建长度是10的Object数组。
- JDK8:当是用无参构造创建列表时，底层并不会指定数组的容量，第一次添加容量时才默认创建长度为10的数组
LinkedList: 底层使用双向链表实现；内部声明了Node类型的next、prev属性，prev指向前一个元素，next指向下一个元素------体现了双向链表，链表更占内存(多了两个引用)。
Vector:线程安全的，里面的方法基本都加了synchornized，因此效率很慢；底层使用Object数组存储;当使用无参构造创建时，JDK7和JDK8都默认创建一个长度为10的数组；当容量不够时会按照原始用量的100%比例扩容。
- 对于随机访问ArrayList根据下表查找，时间复杂度为O(1),而LinkedList时间复杂为O(n)。
- 对于插入和删除，LinkedList要优于ArrayList；ArrayList需要重新计算位置，移动大量元素，甚至扩容。
四. Set集合中：HashSet、TreeSet
TreeSet
TreeSet有序且不可重复，是基于TreeMap实现的；向TreeSet中添加的对象，一定要是同一类的对象（原理在TreeMap中说）。
HashSet
HashSet是基于HashMap实现的，默认构造函数是构建一个初始容量为16，负载因子为0.75的HashMap。它封装了一个HashMap对象来存储所有的集合元素，所有放入HashSet集合元素实际上是由HashMap的key来保存的，而HashMap的value则存储一个PRESENT，它是一个静态的Object对象。原理在HashMap中说。
不同点：
- HashSet中元素可以为null，但只有一个null;TreeSet中不能有null;
- HashSet底层使用hash表进行排列，无序；
- TreeSet底层用红黑树进行排列；
五. Map：HashMap、TreeMap
HashMap底层原理
JDK7中:
- HashMap 在实例化后创建一个长度为16的Entry数组；HashMap中有一个加载因子默认值为0.75，当存储的元素超过当前数组容量的0.75时会进行扩容，这个加载因子，我们可以通过有参构造创建对象时自己设定。
- 在存储数据时，会先计算存储元素的key的hash值来判断其所存储的位置，当两个存储元素的hash值相等时，会调用equals方法判断两个对象是否相等。如果对象相等会进行value值的覆盖；若果对象不相等会在同一个位置以链表形式存储元素。补充说明：
- 我们会先调用hashCode方法进行提前校验，避免过多的调用equals方法，以提高效率。这也是为什么我们重写equals方法时要重写hashCode方法。
- 同一链表上key的hashCode值不一定相等，且大多数都不相等；因为他的存储方式让我们误以为相等：例如，当前HashMap的容量为16，有两个元素key的Hash值分别为1和17；这时1会被存入数组下标为1的位置，而17此时的存储位置由他的值对存储容量取模的值决定的，取模的值也是1，他们都存在1号位置。但他们hash值根本不一样。
- 扩容问题：当容量达到临界时，进行扩容后会重新获得元素的hash值，对hash值”一样“的采用头插法将元素添加到链表。-----会出现扩容循环链表（多线程中出现）。
JDK8中: 与JDK7三点不一样
- HashMap 在实例化并添加元素时才创建一个长度为16的Node数组;
- JDK8中底层是基于数组+链表+红黑树实现的，底层维护的是Node数组；当数组长度>64且链式数据大于8时，会开启红黑树。（当链表长度过长时会影响我们的查找效率，红黑树可以提高查询效率；之所以不用B/B+树，当数据量不是很多时，数据会挤在一个节点中，这个时候遍历效率相当于退化成了链表）
- 扩容时采用尾插法，每次都取最后一个元素放在新的数组链表中，避免了扩容时循环链表的产生。扩容时将元素hash值与旧数组大小做与运算，新增的位为0放在原位置，为1进行移位（原位置+旧数组大小）。
例如：原数组大小为16，存储元素中有Hash值为1和17 的两个元素。
TreeMap底层原理
基于红黑树实现。映射根据其键的自然排序进行排序。因为底层调用了其键的compare()方法，所以才能进行排序，但同时也规定了存入的key必须是同一类型对象。也可以调用其构造方法，在构造方法中提供 Comparator的实现类自定义排序策略。
六. 集合的线程安全
线程安全的集合
vector、stack、HashTable、ConcurrentHashMap
将线程不安全的集合转换为安全的
- 集合类工具：Collections提供了synchornizedXxx()方法，将这些集合类包装成线程安全的集合类。所有的方法都带有同步锁（方法上都加了Synchornized）。
- JUC：JUC包下提供了大量支持搞笑并发访问的集合类，既能包装良好的性能，又能包装线程安全。（原理在多线程里面讲）
- 以Concurrent开头的集合类：写操作线程安全；读取不锁定。
- CopyOnWrite开头的集合类：没用锁。采用复制底层数组的方式进行写操作；读的时候读取集合本身；每个线程写的时候复制原数组到当前线程的一个新数组中，然后当前线程对这个副本进行操作。（每个线程拿一个副本数据写操作，写完刷到原数组中）很浪费内存。
七. Collections工具类
Collections是针对集合的工具类，提供了排序、反转、求最值、二分查找等功能， 大大提高了开发人员工作效率。
| Collections常用方法 | 说明 |
|---|---|
| sort(List< T> list) | 根据自然顺序(升序)对指定list集合排序 |
| sort(List< T> list,Comparator< ? super T> c) | list-集合;c比较器：按指定比较器c为list排序 |
| max(Collection< ? extends T> collection) | 根据自然顺序(升序)排序，返回collection的最大元素 |
| min(Collection< ? extends T> collection) | 根据自然顺序(升序)排序，返回collection的最小元素 |
| binarySearch(List<>list,T key) | list-集合，key-指定对象：对List二分查找key（必须先自然升序排序） |
| reverse(List list) | 反转List元素的顺序 |
八. Arrays工具类
Arrays是针对数组的工具类，提供了排序，查找，二分查找等功能。
| Arrays常用方法 | 说明 |
|---|---|
| sort(array) | 对指定的基本数据类型数组array按升序排列 |
| equals(array1,array2) | 如果两个指定的基本数据类型数组相等返回true |
| binarySearch(array,val) | 对基本数据类型数组array进行二分查找val |
| toString(array) | 把基本数据类型数组array内容转换为字符串 |
